合金汽車壓鑄件裂紋缺陷的產(chǎn)生和過程控制

　　熱室壓鑄機(jī)是一種理想的用于生產(chǎn)中小型尺寸鎂合金的設(shè)備，這是由于它具有較少的熱量損失。材料AM60B由于具有的良好的延展性，使它常被用作生產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)向部件的材料這種優(yōu)艮的延展性也源自于它獨(dú)有的微組織結(jié)構(gòu)。AM60B在熱室中的特性是由它的非樹枝狀的基體決定的，而這種基本是被β共晶體(A117Mgl2)所分離的。

　　因?yàn)楫?dāng)金屬流體在快速的凝固過程中，β共晶體無法能形成足以降低金屬延展性和蠕變阻力的粗糙片狀組織，而是以一種分離體的形式存在。鎂的基體結(jié)構(gòu)介于樹枝狀和球狀之間，而球體組織通常事見于半凝固的鑄造工藝中。這種溶液鎂合金在壓射過程中，通過澆道入口位置時(shí)，在“鵝頸”部被壓縮前進(jìn)，與通道表面進(jìn)行熱交換，形成強(qiáng)迫熱對(duì)流．這個(gè)過程是產(chǎn)生非枝晶結(jié)構(gòu)的主要原因之一。

　　因?yàn)锳M60B比AM9D的鋁含量少，所以在壓鑄過程中，AM60的金屬流體要比AM91D的金屬流體流性差。也由于AM60B的金屬流體凝固的快(遠(yuǎn)快于AZ91D)，AM60B鑄件的表面也比其鑄件的其他部分凝固的快。另外，也因?yàn)锳M60B有很長(zhǎng)的凝固區(qū)域，要達(dá)到完全凝固需要較長(zhǎng)的時(shí)間。鎂合金鑄件所獨(dú)有這種的缺陷是其內(nèi)部分層，或被稱為缺陷圈(Defect Band)．主要表現(xiàn)在鑄件的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。這種缺陷的產(chǎn)生也受到其無型和凝固工藝的影響。買踐已證明，通過選擇更佳位置的澆道入口和優(yōu)化鑄件的幾何外形設(shè)計(jì)可以避免以上的缺陷。

　　AM 60M汽車轉(zhuǎn)向件鑄件

　　這種鑄件用于固定轉(zhuǎn)向柱殼體。需要鑄件在犧牲一定的強(qiáng)度換來較高的延展率和抗蠕變性能。

　　熱裂和斷裂

　　熱裂通常產(chǎn)生于T型區(qū)域，在鑄件中心區(qū)域產(chǎn)生的缺陷帶就是一個(gè)證據(jù)而更多研究顯示這種缺陷帝是導(dǎo)致鑄件發(fā)生熱裂的主要因素。

　　壓鑄工藝中的流體流動(dòng)模式

　　當(dāng)金屬流體以高速壓八型腔內(nèi)時(shí)，由于流體自身具有的粘性，流體在邊界處所受到的阻力較大，而流體中心所受到的阻力測(cè)較小。因此，最邊界的流體的速度接近于零，而其中心位置的流體進(jìn)度則很快。圖4顯示了流體的流動(dòng)速度場(chǎng)分布。流體表層實(shí)際上是將會(huì)被回流填滿，因?yàn)榱黧w表層相對(duì)有很強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性，導(dǎo)致鑄件表面的溫度低于鑄件中心的溫度，這最終使得鑄件內(nèi)部產(chǎn)生兩個(gè)不同溫度壓堿的界面。這種界面將直接產(chǎn)生鑄件內(nèi)部的缺陷圈。研究顯示這種缺陷圈的產(chǎn)生開始于壓鑄最初階段，并在鑄件凝固的過程中進(jìn)一加強(qiáng)。由此可以得出，鑄件表層和中心的不同的凝固速度將會(huì)加強(qiáng)這種缺陷圈的產(chǎn)生和強(qiáng)化，實(shí)踐和理論證明了高雷諾數(shù)(高速)的流體具有較小的速度梯度分布．因此，高速壓鑄在鎂合金壓鑄中將會(huì)更可行。

　　顯微組織結(jié)構(gòu)

　　以上得出的由于內(nèi)部界面而產(chǎn)生的鑄件缺陷圈的結(jié)論也同樣被微組織結(jié)構(gòu)照片所支持圖5展示的是這種缺陷的微組織結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)內(nèi)部的分裂帶可以被清晰地觀察到，上部分是鑄件的表面區(qū)域，下部分是鑄件的中心區(qū)域。所有的區(qū)域都顯示出，非樹枝狀的α鎂初結(jié)晶相(白色)被分離的β共晶相(黑色)所包圍，這就證明了表面區(qū)域有較細(xì)的晶體顆粒形狀，內(nèi)部區(qū)域的晶體顆粒則顯得較粗大。

　　我們同樣也認(rèn)為，這種非樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)來源的另一個(gè)原因，是由于金屬流體在通過熱室的澆道入口時(shí)所形成的熱量強(qiáng)迫對(duì)流。EDS(X光能量分散探測(cè)計(jì))被用于測(cè)試鑄件內(nèi)部的界面是否有重要的合金分隔帶。EDS能夠在一些小的區(qū)域進(jìn)行這種化學(xué)測(cè)試，并能從原子中偵測(cè)出不問的化學(xué)元素。從EDS的檢測(cè)結(jié)果顯示，鑄件表層有比中心部分較小的晶體顆粒，但在其表層和內(nèi)部之間的區(qū)域并不存在明顯的合金偏析。這個(gè)結(jié)論將助于改進(jìn)設(shè)計(jì)，即改變流體的模型．制造出無缺陷層的鑄件。

　　非樹枝狀的晶體是怎樣產(chǎn)生的

　　在圖5和圖6中，微組織結(jié)構(gòu)的形態(tài)說明了這種非樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)與那些在其他過程中形成的晶體有很大的差別，這種非樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)源實(shí)際上來自于它的流變性的特點(diǎn)。這種原理目前被用于研發(fā)半凝固壓鑄工藝中。通常需要幾種不同的條件來產(chǎn)生這種非樹枝狀晶體結(jié)構(gòu),首先是快速的冷卻，其次是機(jī)械力或其他攪拌形成的作用，這兩種條件將可以產(chǎn)生更小的晶體顆粒并可以消除這種樹枝狀的晶體。熱室鵝頸形狀的澆道入口通道在一定條件下，正好符舍以上兩個(gè)條件。圖7顯示的是熔融態(tài)金屬流體在被壓鑄入型腔之前，須先通過加熱室。

　　鵝頸形狀的澆道入口，這種“Z”字形的澆道入口使得金屬流體最早通過其界面層與管壁進(jìn)行熱交換。因?yàn)楹辖餉M60有高的凝固溫度，首先會(huì)有一些鎂的初結(jié)晶相產(chǎn)生，在強(qiáng)制對(duì)流和“z”字型金屬流的雙重作用下，使得在澆道入口管內(nèi)的金屬流體冷卻，從而破壞了金屬流體內(nèi)的樹枝狀晶體，產(chǎn)生出近似球形的結(jié)晶體·之后，這些包含著部分凝固體的金屬流體被注入模具型腔內(nèi)進(jìn)行冷卻，快速的冷卻也在α初晶相周圍產(chǎn)生了分散的和隔離的共晶體，這種形態(tài)可以增強(qiáng)金屬的延展性和抗蠕變能力·值得一提的一點(diǎn)是這種非樹枝狀的微晶體結(jié)構(gòu)并非真半凝固體，它所產(chǎn)生的溫度區(qū)域也并非在半凝固體的溫城內(nèi)，同時(shí)這種對(duì)流的模式也并非是層流狀態(tài)。

　　因?yàn)橛性缙谀腆w的產(chǎn)生，壓鑄中鎂合金的金屬流體并非是牛頓流體直線流動(dòng)，而是屬于非牛頓流體力學(xué)范疇。因此金屬流體的速度取決于材料的微結(jié)構(gòu)。這種非樹枝狀的晶體結(jié)構(gòu)有低的流動(dòng)性，這種特性使得金屬在流動(dòng)過程中有少量的金屬卷入井有滾動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生，這一特性對(duì)于非樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)而言非常重要。另外，熱室的鵝頸形狀也支持這種強(qiáng)度對(duì)流，從而助長(zhǎng)了鎂合金壓鑄中這種非樹枝狀的晶體的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

　　討論

　　鑄件表面熱裂的產(chǎn)生是由于鑄件在冷卻過程中不同的凝固溫度和收縮率。熱收縮集聚在金屬的尚未完全凝固的“T”型區(qū)域，而熱裂通常產(chǎn)生在模具的首次充填過程中，因?yàn)槟菚r(shí)模具的使用尚未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

　　增加半徑并不一定能減少鑄件的表面熱裂現(xiàn)象．而要達(dá)到更好的設(shè)計(jì)修改．對(duì)于在易出現(xiàn)缺陷區(qū)域進(jìn)行金屬流向分析和凝固溫度分析則顯得非常重要。

　　對(duì)于有著大的凝固間隔和存在一些小的共晶體的合金如AM60B，則更傾向于出現(xiàn)內(nèi)部和表面的熱裂缺陷。

　　內(nèi)部的熱裂出現(xiàn)在“層”的界面位置(不同結(jié)構(gòu)的微組織晶體)，這些界面是在凝固的過程出現(xiàn)或是在一些遠(yuǎn)離澆道入口的不易被充填位置處，由于缺少充填的原因而產(chǎn)生的又或者它們?cè)谀坛绦蛞郧霸缫压袒Ｓ捎诤辖鸩煌哪虦囟群湍＞叩牟煌氖湛s強(qiáng)度產(chǎn)生的作用力使得表面熱裂的產(chǎn)生會(huì)遲一些，同時(shí)，鑄件表面的熱裂也會(huì)隨著一些細(xì)小的內(nèi)部熱裂而向外展開。

　　結(jié)論

　　缺陷圈是在壓鑄充填和冷卻凝固過程中產(chǎn)生的，改進(jìn)的方法是對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改。首先,要取得低的速度梯流體形態(tài)，需要金屬流體有高的速度和好的流動(dòng)性。這就要改進(jìn)內(nèi)澆道入口的形狀和澆鑄的位置。

　　其次，通過對(duì)鑄件外形進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如增加或減少部分鑄件體積和形狀。這樣做的目的是加快冷卻和凝固的速度，從而降低熱量在鑄件某些部位的集聚。

　　其他一些技術(shù)如改變鑄件半徑,增加側(cè)肋或凹槽．大的嵌條以及使用局部溫度冷卻棒可以減少熱量在鑄件易脆位的聚集：同時(shí)制作必要的模擬檢驗(yàn)．以使得設(shè)計(jì)更完善，通過這樣的工程改進(jìn)可進(jìn)一步減少鑄件的缺陷。